石油工程第6章——东北石油大学

第六章油气井压力预测与控制第一节地层压力及其预测一、地下各种压力概念1.静液压力是由液柱重量引起的压力。如果静液压力用ph表示，则单位高度(或深度)增加的压力值称为压力梯度，静液压力梯度可表示为第六章第一节地层压力及其预测静液压力梯度受液体密度的影响和含盐浓度、气体的浓度以及温度梯度的影响。油气井钻井中遇到的有代表性的平均静液压力梯度有两类：第六章第一节地层压力及其预测淡水和淡盐水盆地，GDh为0.0098MPa／m盐水盆地，GDh为0.0105MPa／m2.上覆岩层压力某处地层上覆岩层压力是指覆盖在该地层以上的地层基质(岩石)和孔隙中流体(油气水)的总重量造成的压力。如果用pob表示上覆岩层压力，且沿垂直高度h内各参数取平均值，则岩石密度与孔隙度的大小和埋藏的深度有关。3.地层压力是指作用在岩石孔隙内流体(油气水)上的压力，也叫地层孔隙压力。地层压力用pp来表示。正常地层压力等于从地表到地下该地层处的静液压力,其值大小与沉积环境有关。根据式(6-2)的计算原理，可求得大多数正常地层压力梯度为GDp=0.0107MPa／m。pp＞ph，异常高压pp＜ph，异常低压第六章第一节地层压力及其预测4.基岩应力上覆岩层的重量是由岩石颗粒和孔隙内的流体共同支撑的。没有被孔隙内流体所承担的那部分上覆岩层压力称为基岩应力。如果用σ表示基岩应力在正常的压力环境中(pp=ph)，由于颗粒和颗粒间相互接触，岩石基体支撑着上覆岩层重量，而这个直接的颗粒间应力的减少(σ→0)，将导致孔隙内流体支撑起部分上覆岩层，而形成异常高压(pp＞ph)。第六章第一节地层压力及其预测多年来发展了数种预测异常高压的技术，其中有在钻井施工前进行的地球物理预测方法，也有钻井过程中应用的钻井参数方法和其他方法。目前在国内使用最多的方法是声波测井法和dc指数法。1.地球物理方法地震资料法声波测井法电阻率测井法地球物理方法二、地层压力的预测原理与方法第六章第一节地层压力及其预测(1)地震资料法因为地震波是一种弹性波，其传播速度与岩石致密程度有关。通常，岩石愈致密，波的传播速度愈快，传播时间愈短。在正常压力梯度下，岩石的致密程度随深度而增大，因此地震波传播速度亦随深度而增大，其传播时间随深度而减小。当地层出现异常高压(pp＞ph)时，岩石致密度下降，地震波传播速度减小，传播时间增大，人们可根据这一特性来解释地震波与井深的关系曲线，从而预报异常高压。这种方法一般用在钻井施工前的初步预测。第六章第一节地层压力及其预测1)声波传播速度主要是孔隙度和岩性的函数。如果岩性为泥页岩时，则声波测井主要反映孔隙度的变化。在正常压力地层中，随深度增大，地层压实程度增强，孔隙度下降，则声波传播速度加快，传播时间减少。深度D与传播时间Δtn的对数之间呈一条正常趋势线。(2)声波测井法第六章第一节地层压力及其预测在异常高压地层中，由于欠压实，孔隙度加大，传播时间Δt将偏离正常趋势线，其数值大于正常值。偏离值Δtsh(角标sh表示泥页岩层，Δtsh=Δto-Δtn)越大，地层压力越高。根据大量数据可得出一定地区GDp和Δtsh之间的关系曲线。第六章第一节地层压力及其预测地区经验曲线法地区经验曲线法：绘制该地区lgΔt与D的正常趋势线，图上开始偏离正常趋势线的点即为异常压力的顶界。先确定Δtsh=Δto(异常)-Δtn(正常)，而后根据该地区关系曲线查出GDp，则Δto当量深度法2)当量深度法：在连续沉积盆地，声波传播时间的正常趋势反映了地层第六章第一节地层压力及其预测的正常压实趋势。当地层压力异常时，如图6-3中a点，地层欠压实，基岩应力σ下降。由于地层有正常压实的趋势，可在正常压力段找出一点e，其σ值与之相等。相应深度De称为当量深度，如图所示。正常压力段深度De的σe易于求出：第六章第一节地层压力及其预测由于深度Da处的σa=σe，则a点处的地层压力计算式为(3)电阻率测井法的预测原理：在正常压力地层中，随深度增大，地层压实程度加大，孔隙度减小，导电流体也减少，页岩电阻率加大。在一定的地区，页岩电阻率(对数)与井深之间存在一条正常趋势线；在异常压力地层中，由于地层欠压实，孔隙度增大，地层流体多，地温高，页岩电阻率向着低于正常电阻率的一侧偏离正常Δto，C——正常压实趋势线的截距和斜率第六章第一节地层压力及其预测1)d(或dc)指数法是利用泥页岩的压实规律及欠压实地层机械钻速增大的特性和压差影响机械钻速的原理，同时考虑了钻井参数对机械钻速的影响来监测地层压力的。根据钻速与转速、钻压及钻头直径之间的关系，并考虑保持d的数值与英制单位时相同，则可得2.(1)d(或dc)20世纪60年代以来，人们了解了机械钻速和地层压力之间的关系，并在此基础上发展了一种改进机械钻速预测地层压力的方法，称为d(或dc)指数法。第六章第一节地层压力及其预测因为0.0547vpe/n的值总是小于1，所以lg（0.0547vpe/n）的绝对值与vpe成反比。因此，d指数与vpe成反比。在正常压力条件下，随着深度加大，vpe下降，d指数增大，且d与D之间呈一条正常趋势线。在压力过渡带和异常高压地层，由于地层欠压实和井底压差减小，vpe加大，d指数下降，通过其与正常趋势线偏离值的大第六章第一节地层压力及其预测d指数法的前提之一是保持钻井液密度不变，但这在生产中难以达到，尤其在进入压力过渡带后，为了安全起见，需增加钻井液密度，这样，d指数便随之升高，影响了它的正常显示。为了消除此影响，于是提出了修正的d指数，即dc指数法，表达式为2)预测方法应收集的现场资料有：井深、地层岩性、钻时、钻压、转速、泵压、排量、钻头尺寸及类型、密度、粘度、流变性。要求取全取准资料，并舍去非正常的钻井第六章第一节地层压力及其预测计算dc指数，绘制dc与D的关系曲线：按式(6-7)计算dc指数，并将计算的dc值点在dc与D的录井图上，建立dc指数正常趋势线方程：要求取过渡带前大于300m的井段为回归段。使正常趋势线通过大多数泥岩点。回归方程形式为：数据和非泥岩、页岩数据。第六章第一节地层压力及其预测Dlgdc回归所得方程的相关系数必须大于规定值(一般暂定为0.7)。在条件不具备时，可借用相邻或相似地质条件或邻井的趋势线参数值。计算地层压力：利用趋势线方程计算或从图上查出相应深度的dcn值，再选用下面推荐的四种求地层压力公式，定量地计算出地层压力的大小。对数式：当量深度式：第六章第一节地层压力及其预测反算式：伊顿(Eton)式：一些油田经过研究对比，认为反算式比较符合实际。因此，将求出的正常趋势线方程和式(6-7)代入反算式，便可直接求得实际地层压力时流体密度公式为：第六章第一节地层压力及其预测它是利用钻速方程把影响钻速的诸因素修正成标准值，唯一将压差(当量循环密度与地层压力之差)孤立出来。当井内的当量循环密度为一常数时，标准化钻速值的变化，可以直接反映出所钻地层孔隙压力的变化。据有关资料介绍，该方法能监测到地层压力很小的变化，但因其分析计算较繁琐，从而限制了它的广泛应用。3.地层压力还可利用页岩密度法、岩屑情况变化分析、化石资料、钻井液返出温度及钻井液中天然气、氯化物含量变化等预测，具体方法可参阅有关文献。(2)标准化钻速法第六章第一节地层压力及其预测第二节地层破裂压力及其预测一、地层破裂压力及破裂压力梯度地层破裂压力：在井中一定深度处的地层，其承受压力的能力是有限的，当压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称为地层的破裂压力pf。地层破裂压力的大小取决于许多因素，如上覆岩层压力、地层压力、岩性、地层年代、埋藏深度以及该处岩石的应力状态。为了衡量某一深度D的破裂压力的大小，引入地层破裂压力梯度GDf的概念。第六章第二节地层压力破裂及其预测破裂压力预测方法哈伯特—威利斯法马修斯—凯顿法伊顿法黄荣樽法安德森法二、地层破裂压力预测方法哈伯特—威利斯法破裂传播压力必须大约等于最小主应力。并认为在发生正断层作用的地区，最大主应力是大致垂直且等于上覆岩层的有效压力，而最小应力应第六章第二节地层压力破裂及其预测马修斯—凯顿法引入了变数基岩应力系数Ki（可变的水平与垂直应力比）。是水平的且大多数大概在上覆岩层有效压力的1/2~1/3之间。第六章第二节地层压力破裂及其预测伊顿法:1969年，伊顿假设地层是弹性体，并用泊松比ν把水平应力σH和垂向应力σz联系起来，给出了地层破裂压力梯度公式伊顿认为，上覆岩层压力pob和泊松比ν都随深度而变化，地层破裂压力梯度GDf也随深度而变化，因而比较接近实际。第六章第二节地层压力破裂及其预测a.分析测井资料或用d指数法，确定pp；b.根据密度测井资料，计算并绘制该地区pob与D的关系曲线；c.根据实际压裂资料，挤水泥资料和井漏值，取得地层破裂压力数据；d.用已知的pp、pf和pob，计算并绘制ν与D的关系曲线；e.用pob，pp和ν的数值，由公式计算任一深度的GDf，应用伊顿法预测地层破裂压力梯度的步骤是：黄荣樽法:黄荣樽根据弹性力学的理论，导出了井壁上最容易压开裂缝处的有效切向正应力的表达式，并且认为地层的破裂是由于增大井内流体压力使井壁上的有效切第六章第二节地层压力破裂及其预测向正应力减小为零(当存在原生裂缝时)或变为负值并超过地层的抗拉强度σhT(当井壁上无原生裂缝时)的结果。结合水平向的两个主地应力计算方法，黄荣樽提出计算破裂压力的解析式为K—非均匀的地质构造应力系数，K=α-3β；α，β—第六章第二节地层压力破裂及其预测1)三轴岩石力学试验：主要是在高压室中对圆柱岩样施加不同围压的压缩试验。通过试验确定岩的泊松νo——围压pcir为零时的泊松比；m，n——取决于岩性的常数。考虑到地层重力场的作用，岩层在某深度D处的围压pcir的计算式为联立式(6-13)和式(6-14)便可解得D深度处的pcir值和地层的泊松比ν值。比ν。岩石的泊松比与其所处的深度有关，通过岩石的三轴压力试验发现ν是随围压的升高而增大。经过分析，提出计算ν的指数方程第六章第二节地层压力破裂及其预测2)现场地层破裂压力试验：这是为了确定地下岩层的构造应力系数而进行的。一般在一个油田断块或一个探区只需进行1～2口井便可满足要求，但为了准确地确定构造应力系数，需在套管鞋下方的压裂段地层中在试验前取关闭环形空间，要求在环空井口安装精密压力表记录压力的变化。用水泥车以低速(大约为50～80L／min)缓慢地启动泵并向井内注入钻井液；记录各个时间的泵入量和相应的井口环空压力。做出以井口压力与泵入量为坐标的试验曲线，如泵排量不变时，亦可做出井口压力和泵入时间的关系曲线。在进行液压试验时，要注意确定下述的压力值(如图6-5所示，此图为实测曲线)：地层破裂压力试验的具体要求如下所述。第六章第二节地层压力破裂及其预测漏失压力pl:即开始偏离直线之点的压力，其后压力仍上升。开裂压力pf′:压力最大之点。反映了液压克服地层的强度使其破裂，形成裂缝，钻井液向裂缝中漏失，其后压力将下降。延伸压力pex:压力趋于平缓的点。它使裂缝向远处扩展延伸。瞬时停泵压力ps:当裂缝延伸到离开井壁应力集中区，即6倍井眼半径以远时(估计从破裂点起约历时1min左右)，进行瞬间停泵。记录下停泵时的压力ps，由于此第六章第二节地层压力破裂及其预测时裂缝仍开启，ps应与垂直裂缝的最小地应力σy值相平衡，即有ps=σy。此后，由于停泵时间的延长，钻井液向裂缝两壁渗滤，但液压下降。由于地应力的作用，裂缝将闭合。裂缝重新张开压力pre:瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝所需的压力pre与开裂压力pf′相比不需要克服岩石的抗拉强度，因此可以近似地认为破裂层的抗拉强度等于这两个压力的差值，即有第六章第二节地层压力破裂及其预测从图中查得pf′和pre对应的井口泵压，于是根据(6-15)式直接计算出σhT值。从试验曲线上确定地层开裂时的井口泵压(如果考虑pl为最大许可压力，也可用此值)，其与静液压力之和为破裂压力pf值。破裂层岩心经过室内试验确定ν，pob及正常孔隙压力pp值。将得到的